嫦娥六号月球背面样品揭示的月球年龄图谱及其对早期撞击历史的启示

放射性年龄是月球撞击坑年代学模型的基础，但此前样本均来自月球正面，且可关联特定表面的年龄均小于40亿年。2024年6月25日，嫦娥六号成功从月球背面带回1.935千克样本，其中包括年龄为28.07±3百万年的本地玄武岩，以及可能对应南极-艾特肯盆地年龄的42.47±5百万年的苏长岩。
利用这些放射性年龄，研究团队优化了月球年代函数（CF），证实其仍符合指数衰减与线性速率的组合形式。进一步推导撞击率后发现，早期撞击体通量呈平滑衰减而非突变。优化后的月球年代函数可用于获取未采样月球区域更可靠的年龄，并为月球早期撞击历史提供关键约束。
绝对年龄对理解太阳系天体演化至关重要，但直接放射性定年目前仅广泛应用于地球。对于月球未采样区域，绝对模型年龄（AMA）通常通过撞击坑大小-频率分布（CSFD）法估算，而月球年代模型（即年代函数）是该方法的核心，描述返回样本的放射性年龄与采样点对应撞击坑分布密度的关系。此前用于构建年代函数的样本均来自月球正面，月球背面样本对验证模型在全月球的适用性至关重要，且现有最古老样本存在争议，因此急需背面及古老地质单元样本。
嫦娥六号作为人类首个月球背面采样返回任务，于2024年5月3日发射，6月2日着陆于南极-艾特肯盆地内的阿波罗盆地。南极-艾特肯盆地是月球最大、最古老的撞击盆地，模拟显示其形成时大量熔融地幔物质涌出并重新分布，后续分异可能形成苏长质上层。着陆点位于阿波罗盆地南部玄武岩单元西部，探测器通过机械臂铲取表面样本和钻探地下样本，共收集1935.3克样本并于6月25日返回地球。
研究团队对分配到的表面样本进行矿物和放射性定年分析，利用铅-铅定年技术对玄武岩样本的富锆矿物和磷酸盐测定，得出着陆点玄武岩单元年龄为28.07±3百万年，与此前报道一致；苏长岩样本可能为南极-艾特肯盆地撞击熔融池的分异产物，定年为42.47±5百万年。计算南极-艾特肯盆地撞击坑频率时，需排除年龄明显较年轻的玄武岩区域，优先使用较大撞击坑以减少次级撞击坑影响，并采用缓冲非稀疏校正法考虑后期撞击对早期撞击坑的侵蚀。这些数据与阿波罗、月球号和嫦娥五号任务的数据集一起，通过最小二乘法拟合更新了月球年代函数。
结果显示，月球背面这两个放射性年龄及对应撞击坑频率落在基于正面数据得出的年代函数95%置信区间内，表明月球正面和背面撞击通量相似，为建立全月球通用年代函数奠定基础。优化后的年代模型在多数地质年龄下，相同撞击坑频率对应的年龄比广泛使用的诺伊库姆模型更古老，但年龄大于40.5亿年时则相反，最大差异在25.8亿年时为0.34亿年，处于年代学不确定性范围内。推导的撞击率显示，直径≥1千米的撞击事件频率在约30亿年前呈指数下降，之后趋于稳定。
讨论指出，嫦娥六号带回的可能代表南极-艾特肯盆地撞击事件的最古老样本，为约束月球早期撞击历史提供了独特机会。目前关于月球早期撞击历史存在多种假说，如撞击通量单调递减、约39亿年的晚期重轰击（LHB）、41亿年前锯齿状上升等。新观测结果不支持具有突变的理论模型，如锯齿状模型和LHB模型。优化后的月球年代模型与仅基于正面样本的诺伊库姆模型无显著差异，表明月球正面和背面撞击通量基本一致，将提高CSFD法定年的可靠性，建议未来用于月球表面定年。